Jitter知识

Jitter知识

Charles Altmann

Chapter 1：什么是jitter

1) 什么是jitter

所谓jitter就是一种抖动。具体如何解释呢？让我们来看一个例子。假如你有个女友，你希望她每天晚上下班之后7点来找你，而有的时候她6:30到，有的时候是7:23，有的时候也许是下一天。这种时间上的不稳定就是jitter。如果你多观察这种时间上的不规律性，你会对jitter有更深一些的理解。

在你观察的这段期间内，女友最早和最晚到来的时间被称为“jitter全振幅”(peak to peak jitter amplitude)。“jitter半振幅”(jitter-amplitude)就是你女友实际来的时间和7点之间的差值。女友来的时间有早有晚，jitter半振幅也有正有负。

通过计算，你可以找出jitter半振幅的平均值，如果你能够计算出你女友最有可能在哪个时间来，你就可以发现女友来的时间是完全无规律的(随机jitter radeom jitter)还是和某些特定事情有关系(关联jitter correlated jitter)。所谓关联jitter就是比如你知道你的女友周四要晚来，因为她要去看她的妈妈。如果你能彻底明白这点，你就已经是一个correlated jitter的专家了。

2) 什么是时基抖动(Clock jitter)

在数字音频中，我们要直接和数字信号的发送与传输打交道。声音以二进制编码被储存在光盘或者DAT卡带中，在回放音乐的时候，这些010101的信号被送进DA转换器(Digital-Analog converter)并被还原为模拟波形信号；在录制数字音频的时候，一个参考时钟信号会和音频信息一起被送进AD转换器(Analog-Digital converter)，转换器把模拟信号转换为0101的数字信号并且记录下来。

数字信号总是和一个参考时钟信号一起传送并且记录，一些数字音频传输格式如S/PDIF和AES/EBU，它们在一个信号中同时传送数据和时钟。数字音频的时钟信号是一种方波(square-wave)，并且在频率以及振幅上被进行了修正，而且它的占空比要达到50%。信号的改变(方波波形的高低变化即电平的高低)记录着时钟信息。

如果信号传输所用的时间不相等，那么就产生了时基抖动，实际上，世界上是没有任何一个不存在时基抖动的电路(就好像你的女友不可能总是以1/1000秒的精确时间到达)。

Joe Adler是这样定义时基抖动的：“对于数字信号在时间上正确位置有重大影响的短时间的改变。”("Short-term variations of the significant instants of a digital signal from their ideal positions in time")。

3) 什么产生了jitter

需要精确的东西都是越精确越难以做到。数字音频需要非常非常高的时钟精确度，因为我们的耳朵对于声音的质量似乎异常敏感。因此，为了得到最精确的结果，我们需要非常精确的测量仪器。通常，数字音频设备的时钟都是由非常精密的晶体振荡器产生的。

正如Mike Story说的：“基于晶振(晶体振荡器以及压控晶体振荡器产生的)产生的时钟具有非常的低的jitter，但是jitter仍然存在。”("Crystal based clocks (XCO′s, VCXO′s) generally have the lowest jitter but they still have some." )“在设备中还有其他产生远比压控晶体振荡器产生更多jitter的jitter源。”("There are other sources of jitter inside equipment that may contribute substantially more than the VCXO.")这里所说的其他jitter源主要是电源供电部分产生的电压波动，这些波动对于DA转换器是很致命的，它会导致转换点在逻辑上发生时间变化(causing variations in logic level switch points)。

4) CD player里面到底发生了什么

如果电源噪音(电压波动)导致切换点逻辑上的时间抖动，那么播放器(CD，MD，DVD，DSD，DAT)里面到底发生了什么？

一个简单的CD播放器里面有多个马达，驱动电路以及控制电路。为了能够正常读取盘片，机器要做以下工作：首先，主轴马达驱动CD盘片转动并达到预定速度，控制光头位置的定位马达驱动光头定位到

预定轨道上，最后，驱动回路控制光头聚焦，光头发射激光并且接收反射信号。每一个马达和回路都会增加电源噪音，这些噪音直接影响DA转换器的内部工作状态。所以，每一个马达和回路都会为数字信号增加另外一种jitter(频率，振幅以及波形上的不同)，这些干扰通过不同方式都会影响到声音的质量。

如果你明白了以上原理，就可以给你解释那些HIFI爱好者以及录音师争论得很激烈的以下问题：1，为什么不同的CD镇片(就是主轴上面用来固定盘片的铁片)会造成听感上的不同

2，为什么一些转盘制造厂商使用皮带传动

3，为什么不同的转盘音质不同

4，为什么一些厂商在转盘中使用stray light

5，为什么一些类似“消磁作用”的产品对转盘有效果

6，为什么不同的存储介质音质不同，尽管他们记录的都是0101的数字信号答案主要是如下几点：一些CD播放器或者CD转盘价格非常昂贵的原因是他们将整个解码系统源头，即读取设备产生的jitter降低到了最小。为此，它们需要使用非常稳定和干净的电源，多路供电，精确的时钟生成电路以及造价昂贵的机械结构。在后面，我们将在价格因素尽量小的情况下比较jitter的影响。

5) 产生jitter的源

jitter可以分为两种：交界面产生的jitter(interface jitter)和采样中产生的jitter(sampling jitter)。交界面产生的jitter可以进一步被划分为传送过程中产生(transmitter jitter)的(比如为了把数字信号输出到转盘外部所产生的)和线材引起(line induced jitter)的。当我们把CD的数字输出和外部的DA转换器连接在一起的时候，不管使用同轴线缆，还是TOSLINK光纤接口，或者SToptical 接口，都将在源信号中引入jitter。有趣的是，不同的接口会引入不同类型的jitter(波形，频率，振幅以及相关性上的不同)。具有了以上知识，你已经可以回答以下问题：

1，为什么不同的数字接口(光纤，同轴)音质不同，尽管他们传送的都是相同的信号

2，为什么线材长度会直接影响音质

3，为什么不同厂家生产的同样长度的同轴线缆音质不同

这些都是线材引起的jitter。

6) 采样jitter(sampling jitter)

在声音再生的过程中，我们通过许多方法削弱在DA转换器之前产生的jitter。但是你应当知道，如果在数字信号的录制过程中jitter就已经产生了这怎么办呢？答案很简单，重新录一份。数字录音过程中产生的时基抖动究竟是怎么一回事呢？答案是正确的采样记录在了时间轴错误的位置上。而在录音之后，这是jitter完全不可以被矫正的。传输过程产生的以及线材引起的jitter对于整套数字录音系统的品质有至关重要的影响。作为数字录音系统的主要器材，AD转换器的时钟发生器会夹杂相当数量的jitter。这些夹杂着jitter的时钟信号通过数字线路，被传送到AD转换器中，而在这个过程中，又会引入线材产生的jitter。这些带有jitter的信号会成为参考时钟信号被送入AD转换器，并且决定信号采样点的位置最终记录下来。AD转换器内部的电路可以削减一部分外部产生的jitter，但是它不能去掉全部。因此对于录音师来说，AD转换器时钟信号中引入越少量的jitter，最终得到的记录质量就越好。Bob Katz在他的文章中这样说：“模拟－数字转换器是整套数字音频电路中最容易受到jitter影响的部分。”("The A to D Converter is one of the most critical digital audio components susceptible to jitter") 对于低成本的设备来说，使用内部的参考时钟的AD转换器可以避免因数字接口以及参考时钟和外部转换器之间产生交界面jitter，但是如果需要在已有的音轨后面添加新的内容，那么就需要同步AD转换器和已经录制的音轨。这种情况下，你就需要一个外部参考时钟。高质量的录音工作室通常使用高精度(通常是可以控制的)的参考时钟来同步AD转换器。如果你有一个好的时钟发生器，它会大大减少传输过程中产生的jitter，但是你仍然要和传输过程中线材引起的jitter做斗争。————————————————————

Chapter 2：jitter听起来是什么样子

1) 如何测量jitter

下面这几幅图片截自示波器，它反映了从TOSLINK(最常用的一种光纤接口)中传输出来的，含有jitter的S/PDIF信号。测试所采用的是廉价的CD播放器，为了让效果更明显，我们采用了10米长的光

纤线(通常使用的都是1米)。

示波器工作在模拟状态下，你看到的是多次转换的重影(superimposition of multiple transitions)。波形显得很不规则，这是因为jitter的存在。两条垂直的细线间表示抖动的振幅大约在3纳秒。那么只含有少量jitter的波形是什么样子的呢？

通过这张图可以看出，信号的波形要比上面的那幅好的多，抖动的振幅大约在3皮秒的范围。上面这两幅图给你一个对含有jitter的信号的一个最基本的认识。

还有另一种方法可以检测到jitter的存在。通过将信号输入到相位锁定环(phase locked loop，简称PLL)并且测量VCO(压控晶体振荡器)的控制量的变化。这种测量方法是将jitter解释为频率的调制。

在上面这幅图中，你无法直观得看到jitter，在这幅图中jitter表现为波形偏离中立点的情况。这种测试所得出的结果并不全面，因为它很大程度上取决于PLL中的相位比较器(phase comparator)以及滤波环(loop-filter)的质量。此外，波形表明，从PLL中输出的信号的jitter要比原始输入信号中的要多。如果将信号送入频谱分析仪中，我们就可以得到jitter频率组成的详细情况。

如果要从音频的角度来观察，就应该先给DA转换器输入一组含有尽量少jitter的正弦波信号当作数字输出并且分析模拟输出的频谱，得到DA转换器的泛音频谱。接下来，将含有jitter的同样的信号输入到DA转换器中并分析模拟输出，比较上面的结果，你就会发现不同之处。究竟发生了什么呢？

Watson和Kulavik称：“时基抖动引起基本频率在宽度上的散开。另外，不管是随机还是分布的抖动的频率都将增加噪音，这些会直接反映在SNR和THD+N上。”("Clock jitter causes the width of the fundamental frequency to spread. Additionally the jitter frequency, whether random or distributed, increases the value of the noise floor. Hence SNR and THD+N are both degraded." ) 对于jitter的定量测量是一件很复杂并且耗资巨大的工作，因为这需要十分精密的仪器。GuideTech 生产的测试jitter的仪器可以量化最低到1皮秒的抖动，LeCroy的数字示波器则提供了最基本的测量抖动的功能。

2) 试听环境

如果你想听到没有jitter的声音，那么你肯定要比较没有jitter的声音。

试听中，我们将使用菲利普CD723这款价值$99的低档CD播放器作为音源。CD723上仅仅装配了同轴S/PDIF输出，我们特地加装了TOSLINK光纤接口。CD723的数字输出接到了Altmann的24BIT/96KHZ的DAC上。这款解码器采用的是Crystal的CS8414作为数位接收芯片。CS8414内置了相位锁定环(PLL)，可以锁定32KHZ到超过100KHZ采样率的信号。内置的PLL可以将高频jitter降低到一个很不错的程度(大约100P)，除此之外，这款DAC没有采用其他降低jitter的措施。

我们下面要做的是模拟大量在HI-FI甚至HI-END系统中都出现的jitter的效果。为了获得含有尽量少jitter的声音，我们在解码器和CD播放器之间加了Altmann-UPCI(具体作用就是减少jitter)。3) 主观感受

试听这个系统的人大多是HIFI爱好者，并具有一定的试听经验。试听的主题就是jitter vs. less-jitter，换句话说就是采用Altmann-UPCI和不采用。我们测试了CD以及DVD。下面是结果：1，“区别真的很大！每一个人都应该能听出来。”区别是很明显的，几乎所有的人在第一秒钟就可以区别出不同，完全是两种不同的声音。

2，“less-jitter的声音要好，明显好！”听众认为，jitter少的声音听起来更加透明，高频更好，不同乐器区分明显，更好的时间感，更好的整体感等。

3，“当听到jitter很少的声音时候，感觉像听另一张CD。”

当你听到jitter严重的信号解码出来的声音的时候，你试图去辨别乐器的位置，但是即使你全神贯注，也很难听清。你的耳朵试图辨别声音的具体频率，但是由于jitter的存在，声音变得很飘，所以你并不能听得十分清楚，当你的大脑接受声音信号的时候，它会试图把声音解释成具体的形象，比如饱满的，温暖的，华丽的等等，当jitter过多的时候，这项工作会变得很难进行，久而久之，你会感觉到疲倦。

当大量jitter存在的时候，乐器或者演唱者的声音会散开(发飘)，你将很难定义声音，第一印象将是声音比较模糊，不清晰。如果你集中精神试图辨别声音，你会觉得好像耳朵在拒绝声音。你可能能够分别出声音的频率，但是你听不到它里面有什么。反之，如果信号中jitter较少，声音将非常容易被识别，非常清晰，空气感很好，你将听到非常多的细节。

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Chapter 3：如何有效减少jitter

jitter是无法被完全消除的，我们只能将他减小到不影响声音的范围内。

1) 减少jitter的形式

通常情况下，减少jitter有三种形式。

1，使用尽可能高端的器材。显然，这个方法的代价是非常高昂的，久经考验以及最新的旗舰器材在处理jitter这方面通常做的不错。另外，你还可以从数据信号的接口上进行处理。用SToptical代替Toslink，用AES/EBU平衡接口代替传统的S/PDIF(同轴)接口。

2，使用你现有的器材，但是在一些重要的地方采取有效的减少jitter的办法。这种方法的花费不一定少，但是可以说每一分钱都可以花到刀刃上。这种方法主要是使用高精度AD/DA转换器，或者ASRC(同步采样率转换)。

3，同时结合以上两点。这种方法通常都用在HI-END器材中。那些昂贵的器材可以将jitter控制在一个非常小的范围内，设计师的水平不得不让人称赞，但是设备的价格也是非常昂贵的。

2) 避免数字录音过程中产生的jitter

我们之前讨论的都是在回放设备中的jitter，但是，如果在数字录音过程中就已经产生了jitter，那么在回放设备中，无论如何处理，都无济于事。因此，避免jitter是数字录音过程中一个非常重要的过程。

为了做到这点，首先要为AD转换器采用高精度的时钟源作为参考时钟信号，不过，这仅仅是其中的一步，同时，还要确保时钟信号在传输到AD转换器的过程中没有收到干扰。另外一点值得注意的是，应该尽量避免使用采样率转换器。在需要使用实时采样率转换器的时候，首先要确保输入和输出的信号非常稳定，jitter非常低。(采样率转换同样可以以非实时形式完成，比如使用计算机和相应的软件，不过本文讨论的仅仅是采用ASRC(同步采样率转换器)的芯片。)

3) jitter的处理方法

在数字信号的传输过程中，jitter是无处不在的，因为我们不可能做到100%的精确，不过我们的目标是将jitter减少的一个范围，在这个范围内，他不会给我们带来麻烦。目前使用较多的的减少jitter的方法有两种，它们分别是同步采样率转换(ASRC)和相位锁定环(PLL)。

4) 同步采样率转换(ASRC)

ASRC(asynchronous sample rate converter)芯片，比如ADI公司的AD1896是目前不错的采样率转换芯片。如果这项技术没有被发明，那么你需要采用DA或者AD芯片来进行采样率的转换，这会严重降低信号的质量。而对于ASRC来说，整个采样率转换是全数字过程，因此它可以有效的保证质量。不过，ASRC并不是一种完美无缺的方法！它转换的信号质量很大程度上取决于输入和输出信号的质量。如果你采用ASRC作为降低jitter的方法，那么输入信号中的jitter会被分布在输出的数据信号中，而这些jitter将被整合到数据信号中而在后面的处理中永远无法消除。所以，ASRC芯片的设计师在芯片内部通过各种方法(PLL+FIFO)尽可能减少采样转换器前输入信号的jitter来确保输出信号的质量，这也是为什么好多厂商采用ASRC作为降低jitter的方法。另外一点非常值得注意的是，采用ASRC不仅要增加成本，更重要的是，经过采样率变化的信号会失去原有声音的味道，也许设计很好的电路可以使声音变得很好听，但是你要记住，这声音已经不是原汁原味的了，我想这也有悖于HI-FI的高保真的含义。

经过ASRC处理过的输出信号可能含有较少的jitter，但是这些信号和输入的信号已经不相同了，因为输入信号中的jitter被永久固化到了数据信号中，从某种程度上讲，也可以说信号的质量被降低了。虽然目前某些厂商极力吹捧ASRC的好处，事实上，它并不是最好的降低jitter的方法。

有些DA转换芯片内部已经集成了ASRC，这种芯片会将输入信号转换为DA转换器能够处理的最高的采样率然后进行DA转换，因为这些芯片的设计厂商认为，转换器输入的信号采样率越高，转换的精度也就越高，但是他们没有考虑上面我们所说的弊端。

一些厂商为了降低jitter，在他们的转盘中集成了ASRC，但是这样做的结果是什么呢：由转盘读取过程中产生的jitter被永久固化到了数据信号中，CD的数字输出信号或许具有很低的jitter，但是数据已经不是转盘读取的数据了，显然，这些CD的输出信号质量被严重的降低了。有趣的是，我们在许多非常昂贵的转盘中采用了这种方法，他们的数字输出已经不再和CD中记录的信号相同了，而一些廉价的CD 机，虽然他们的数字输出中含有大量的jitter，但是他们传送的确实原始的信号。

总结以上所说的，其实只有两句话：其一，采用ASRC并不是有效降低jitter的好方法。其二，如果你想高质量的进行采样率转换，那么请确保ASRC的输入和输出信号jitter足够低，做到这点，主要要依靠PCB布线足够优秀的拓扑结构以及给ASRC足够精确的参考时钟频率。不过，即使是这样，经过ASRC 转换的信号也会和原有的信号有差别，也许这可以美化听觉效果，不过从另一个角度来说，这也是一种失真。

5) 相位锁定环(PLL)

有效降低jitter最好的方法是采用相位锁定环技术(Phase-Locked-Loop)。PLL不会对数据信号随意“窜改”，但是它可以校正信号的时钟。

PLL是一个可以根据输入信号的频率产生和原信号相同的输出信号的设备。也许有人要问，这样做有什么意义呢？优势就在于由PLL产生的时钟信号比输入的信号更加干净，也就是jitter更低，那么也就达到了目的。

一个完整的PLL包括三部份：一个用来生成输出信号的压控振荡器(VCO:voltage controlled oscillator)，一个用来比较输入和输出信号的鉴相器(phase detector)以及一个连接鉴相器输出和VCO 的环路滤波器(loop filter)。环路滤波器的作用是使输出信号频率的改变稍微比输入信号慢一些。

换句话说，PLL会通过鉴相器比较输入和输出信号使他们达到相同的频率，而鉴相器的输出既是VCO 的控制量。这一过程叫做时钟恢复和数据重整。在CPLD 以及FCPGA这些可编程逻辑出现前，比较流行的PLL芯片是74HC4046。在现在来看，虽然这颗芯片性能很差，但是设计得出色，还可以比现在流行的SPDIF解调芯片CS8414内置的PLL要好。目前高端设备上主要采用DSP，可编程逻辑来实现PLL的功能，在锁定速率以及精度上更加优秀。

如果使用压控晶体振荡器既VCXO(voltage controlled crystal oscillator)代替VCO作为频率发生器，那么PLL可以生成一个稳定性极好的low-jitter时钟信号，但是，使用晶体振荡器的弊端也很明显。除了价格高以外，VCXO的频率调整范围非常狭窄，通常之后几百个PPM(parts per million)。这也就以为这，一个VCXO只能接收一种采样率的信号。比如你设计一个解码采样率为44.1KHZ的PLL电路，那么它就不能使用在DAT(48KHZ)或者DVD(96KHZ)上，这也是为什么VCXO很少被采用在DA转换器中。如果你的系统既要采用VCXO又要支持多采样率解码，那么实现的方法就是为每一种采样率配备一个匹配的VCXO，解码不同的信号时候，利用不同的VCXO进行时钟恢复和数据重整，显然，这样做的成本是非常高的。除了VCO以外，在高端系统上也可以使用DDS(Direct Digital Synthesis)作为频率发生器。DDS的好处很明显，它既可以提供非常干净的时钟信号(通常jitter小于1ps)，又可以生成多个频率。不过采用DDS的系统成本非常高昂，通常只有在高端系统中可以看到。

基于PLL系统的解码器可以采用单级或两级时钟恢复的方法。单级系统顾名思义采用一个PLL电路，通过这一个PLL电路对时钟和数据信号进行恢复和重整。这种方法既可以得到不错的性能也可以将整个系统的价格降低到一个不错的范围。举一个简单的例子，PLL从SPDIF的输出信号萃取出其中的频率信号作为参考频率，然后生成jitter更低的信号输入后面的数字滤波器以及DA转换芯片。

采用两级PLL的电路中，第一个PLL只对时钟信号进行恢复，并且将这个信号送入第二个PLL中进行进一步的处理，并利用输出频率信号最终对时钟信号进行恢复并对数据进行重整。这种做法优势很明显，既比单级的PLL电路提供精度更高的信号，并且对于含有很高jitter的信号可以有效的降低jitter，不过两级PLL也意味着双倍的成本。采用两级PLL的电路也可以举出例子来，比如采用CS8414作为SPDIF 解调的电路中，由于CS8414已经内置了一个PLL电路(虽然质量很烂)，因此我们可以利用CS8414的PLL作为第一级，将其输出的时钟频率送入第二级PLL进行处理并将第二级PLL输出的频率信号作为参考频率作为最终的时钟信号。由于CS8414内置了PLL，因此我们只需要一个PLL的价格就可以达到双倍的作用。

两级PLL电路还可以之间还可以整合一个数据缓冲。第一个PLL电路写入缓冲，第二个PLL从缓冲中读取信号，并且将缓存保持在半满的状态下。如果我们使用FIFO(先入先出)存储器作为缓冲，那么我们对于时钟信号频率的变化可以有更充裕的反应时间，这样做可以进一步降低jitter。使用越大的缓存可以说意味着更低的jitter，但是也意味着更高的成本。除了高昂的成本外，采用FIFO还面临着一个问题，既输出的数据比输入的数据有一定的延迟时间，既将缓冲填满一半的时间。对于不采用缓冲的时钟恢复电路，延迟时间通常在1/2个BIT(对于44.1KHZ的采样率大约90纳秒)，而对于有缓冲的电路，就要高许多，具体的数字要视缓冲的大小而定。因此说，带有缓冲的设备不适合用在数字录音以及广播等应用中，但是在回放上，它确实有很好的效果。

小谈JITTER

数字音频的基本原理就是把连续的模拟信号在离散的时间点上进行采样（Sampling），进而形成数字化的信息。时间是信号数字化的最重要的因素之一，采样和重放的时间准确度在很大程度上决定了模拟－数字转换（ADC）以及数字－模拟转换（DAC）的质量。

什么是jitter？

时间准确度可以分为两类：长期准确度和短期准确度。长期准确度是指时钟频率偏离绝对值的多少，一般用ppm（百万分之多少）来表示。石英晶体振荡器可以很容易地达到几十ppm到1个ppm以下的准确度。长期准确度对声音不会造成可闻的影响。短期准确度也就是抖动（jitter），它是一种时钟相位瞬态的变化，如图所示：

Jitter的测量一般使用真实时钟信号抖动的时间来衡量，一般用到的单位是ps（10的负12次方秒）或ns（10的负9次方秒）。测试的指标还可以详细分为周期抖动（Period jitter）和绝对抖动（Absolute jitter）。

Jitter的影响

Jitter制造出数字音频信号的失真。一个简单的固定频率正弦波jitter（频率是Fj）会在一个正弦波音频信号（频率是Fa）中加入两个失真信号，其频率分别是Fa-Fj和Fa+Fj。下图描述了一个10khz的音频信号在一个1khz jitter的作用下，生成了9khz和11khz的失真（边带）信号。

如果这个jitter信号的频谱从1khz到4khz平均分布，那么就会造成一个更宽频谱的失真信号：

上述的单频和广谱jitter是与音乐信号无关的。如果jitter与音乐信号相关，就会制造出很多的高次谐波失真。下图描述了一个2khz的信号，jitter被信号的MSB调制所带来的高次谐波失真。

Jitter的频谱是一个非常复杂的问题。同样大小的jitter，如果频谱是不同的，则会对声音带来不一样的影响，但是关于这个话题，能找到的资料不是很多。

Jitter的大小

究竟多少Jitter才是我们能接受的呢？在上述的单频jitter模型中，jitter造成的失真大小为：

Rj=20log((3.1416*J*Fa)/2)

其中J是jitter的大小，单位是秒，Fa是音频信号的频率，计算出的Rj就是失真信号的分贝（db）。可以看出，音频信号的频率越高，jitter越大，则失真就越大，这就是jitter总会首先影响高频音质的原因。例如一个20khz的音频信号，在1000ps的单频jitter作用下，失真的大小为：

Rj=20log((3.1416*J*Fa)/2)= 20log((3.1416*1000*10-12*20000)/2)= -90db.

请注意，这只是一个理想的单频jitter，如果是广谱的随机jitter或者与信号相关的jitter，失真还要更严重。

CD使用16bits/44.1k的PCM数字音频格式，1个LSB的分辨率是-96db，如果要求在20khz的时候jitter 造成的失真不大于一个LSB，那么jitter造成的失真不能高于-96db，单频的jitter不能大于500ps。

如果是一个24bits的PCM数字音频格式，1个LSB的分辨率是-144db，如果要求在20khz的时候jitter 造成的失真不大于一个LSB，那么jitter造成的失真不能高于-144db，单频的jitter不能大于1ps，如果把要求放宽到21bits的分辨率，jitter造成的失真不能高于-126db，要求jitter也不能大于7.9ps。这可以说是一个非常高的要求。

至于人耳能对多少ps的jitter有感知，是一个没有准确答案的问题。我想这应该与不同的人，不同的音乐内容，以及不同的jitter频谱都有关系吧。

Jitter的产生

Jitter的产生原因比较多，大概可以分为4类。

第一类，时钟振荡器本身的有jitter。这是石英晶体振荡器所固有的。在石英晶体振荡器技术领域，一般不使用多少个ps的jitter作为其参数，而是使用相位噪声（phase noise）曲线作为表示方法。相位噪声描述了振荡器产生的偏离主振荡频率的杂散频率能量。相位噪声可以与jitter之间有一定的换算关系，基本上可以认为它们两者是等同的。请注意，很多场合提到“某个晶振是多少ppm的”，这个多少ppm只是表征晶振的长期稳定性，与jitter或相位噪声无关。但所幸的是，一般来说长期稳定性好的晶振，短期稳定性也会很好，所以通常情况下，ppm数小的晶振，jitter很可能也会比较小。

不同种类的石英晶体振荡器差别很大，这与振荡器所用的晶体质量，振荡电路等有很大关系。通常的锁相环PLL电路里用到的压控振荡器VCXO,jitter值大约在数十ps，温度补偿晶振TCXO，jitter可以达到几个ps，恒温晶振OCXO是最理想的频率源，其jitter甚至可以达到1ps以下。TCXO和OCXO虽然jitter很小，但是振荡频率基本不可调整（或者调整范围极小），不能直接用于PLL电路。OCXO的jitter 虽然很小，但是价格非常昂贵，尤其是最好的“SC切”晶体。一般等级的OCXO要数百到上千元左右，国际知名的C-MAC,Vextron等品牌高级的OCXO就更是贵到难以接受。据我所知，目前只有专业领域的Antelope OCX 时钟发生器使用了OCXO。

下图是一个几种振荡器的比较，其中jitter的数值是简单估算出来的，不是实测结果。

第二类jitter是传输中产生的jitter。SPDIF或者AES-EBU这种数码音频格式没有使用单独的时钟通道来传递时钟信号，而是使用了自同步的双相位标志编码（biphase - mark - code )。时钟信号混在数据信号中传递，接受者（解码器）必须从数据中恢复出时钟。由于在传输过程中，不同的数据的延迟有所不同，就造成了相当大的jitter。解码器如果直接使用接收芯片从数据中恢复出的时钟虽然可以，但是达不到很

好的效果。所以有必要进行精确的时钟恢复（clock recovery）。

第三类jitter是电路中的其它因素导致的jitter。例如射频/电磁干扰，震动，电源干扰等等。例如，如果数据接收处理和时钟部分的电源退耦不良，音频的数据内容就可能会干扰时钟，形成前文所述的“与音乐信号相关的jitter”。所以音频设备的屏蔽，布线，电源等方面是非常重要的。时钟电路的电源必须高度稳定，噪音很小，速度快，尽量不与其它器件混用，才能生成jitter尽可能小的时钟信号。

第四类jitter，就是介质读取过程中发生的jitter，主要由CD转盘或硬盘读取数据的不稳定性造成。这类jitter也可以视作是一种传输jitter，可以通过时钟恢复进行消除。

Jitter的消除

Jitter的消除是个很复杂的问题。前文所述的第一类jitter由于器件的限制，是无法消除的。第三类jitter 可以由周边电路设计的改进和屏蔽来减小和消除。下文只重点描述第二类和第四类jitter的消除。为了方便起见，下文将其统称为jitter。

对于单体的CD机，传输jitter是很小的，但是由于单体CD机在电源，机壳屏蔽等方面的限制，可能会造成转盘部分对DAC部分的干扰。也许是考虑到了这一点，一般厂商的顶级型号还是会采用转盘＋DAC 的模式。

转盘＋DAC这种组合，可以采用很多的辅助方法来消除jitter，比较常见是使用字时钟同步（Wordclock）的方法。Wordclock在专业音频领域应用非常广泛，主要是解决不同设备之间的同步问题。家用领域中，为数不多的DCS,Esoteric等品牌的转盘＋解码器可以支持Wordclock，DAC作为Wordclock发生器，转盘作为Wordclock接收器。需要注意的是，如果使用DAC之外的外部时钟发生器产生Wordclock信号来同步DAC和转盘是一种存在争议的做法。因为DAC使用来自外部的时钟，就必然引入这个Wordclock时钟信号在传输，接收中带来的jitter。如果DAC内部的时钟已经非常好的话，有可能反而会增加DAC的jitter。其它还有一些类似的方法，总的思想就是将主时钟源放在DAC，由DAC的时钟去控制转盘。这些辅助方法很好，但是并不是一个普遍适用的方法，因为绝大多数的转盘不支持Wordclock 或其它的时钟输入，或者消费者不愿意使用同一个厂家的转盘＋解码器。

那么DAC如何仅仅通过SPDIF或AES的数码输入，来实现精确的时钟恢复或再造呢？目前我知道比较有代表性的的方法有4种：PLL，ASRC，DDS，FIFO完全隔离。

锁相环（PLL）方法的是最常用的时钟恢复方法，无论是普通的模拟PLL还是数字PLL，基本原理都是利用一个反馈环和一个可变频率的振荡器来跟踪输入的时钟，输出一个更加稳定纯净的时钟信号。

PLL的VCO一般使用压控晶振VCXO来实现。PLL的环路，尤其是滤波器设计是关键所在，滤波器会滤掉输入时钟中的高频jitter，但是滤波器设计得截至频率太低又不能有效地锁定输入信号。所以很多高级的机器都采用两个PLL串联，来获得更低的jitter。但是PLL本身就会带来一定的jitter，当设计不良时更甚。所以PLL在消除jitter方面效果是有限的。

ASRC(Asynchronous Sample Rate Converter－异步采样频率转换器)，通过对输入的数据重新采样，实现采样频率的转换（升频），同时能够有效地消除输入时钟里的jitter。

ASRC的基本原理就是使用本地时钟源的参考时钟输入，对输入的信号数据进行重新采样（resampling），由于采样所使用的时钟是低jitter的本地时钟源，就实现了对外部时钟的隔离，避免来自外部的jitter影响输出时钟。AD和TI目前都生产一些高性能的ASRC芯片。象以低jitter闻名的Bechmark DAC-1就是使用了ASRC技术。

ASRC在时钟的隔离和jitter消除方面的效果，找不到详细的多数据。根据AD1896的原理图显示，这款ASRC芯片在内有有一个数字PLL，不知道会带来怎样的影响。由于异步重采样本身的精度是有限的，这就使ASRC带来一定的失真，所以使用ASRC来消除jitter也是有代价的。现在的ASRC芯片失真指标已经到达了-140db左右，看起来是不错，不过我没有尝试过。

DDS（Direct Digital Synthesis－直接数字频率合成）。DDS通过完全数字的方法，通过累加器和波形查表的方式，直接生成高度稳定的频率信号。由DDS技术实现的时钟发生器示意图如下：

DDS最大的优点，就是可以实现高稳定性的信号和高度灵活的频率变化，其输出波形的jitter接近于参考时钟源，而频率变化的刻度可以精确到10的负3次方HZ。AD公司的AD9852 DDS芯片，在40Mhz时钟输出时，jitter仅为12ps。

通过DDS技术和先进先出缓冲器FIFO，就可以实现高性能的时钟恢复。下图描述了一个基于DDS+FIFO

的时钟恢复方案。

数据首先进入异步FIFO，通过接收芯片恢复出写时钟，然后由DDS生成读时钟，从FIFO中读取。FIFO 的指针信息定期控制DDS的频率。这种结构可以在很大程度上隔绝内外时钟的耦合，有效地把DDS频率控制器作用频率以上的jitter过滤掉。目前在专业领域，包括ApogeeDigital 的AD16X,DA16X，Bigben 等设备使用了基于DDS的时钟系统，获得了相当多的好评。

FIFO完全隔离，是我自己想出的方案，目前还不知道有哪个厂商这样实现产品。FIFO完全隔离的原理很简单，就是使用大的FIFO(数Mbits),完全隔离外部和内部这两个时钟域，内外时钟没有任何关联。用很大的FIFO目的是让输入信号首先将FIFO填充到半满，然后再开始读取。用大的FIFO容量，来抵消内外时钟的绝对值差别。对于CD音乐重播，需要延迟1-2秒，不过这并不是什么大问题。

本地的时钟源采用OCXO的固定频率晶振，使用直接分频的方式生成解码所需的字时钟和位时钟。用74HC 系列的低速逻辑器件进行分频的确会引入比OCXO还大的jitter，所以可以考虑使用AD95xx的超高速（1.6Ghz）专用时钟分配器芯片来进行分频（需要级联）。这样的分频器引入的jitter不会超过1ps。FIFO完全隔离的方案可以实现时钟额度完全隔离，并且不会对信号造成失真。但是它的局限性在于无法接受来自外部的同步信号，只能作为master工作。这对于家用的HIFI解码器不是问题，如果用在专业领域是会有一定限制。此外，如果同时要支持44.1K和48K倍频的采样频率，需要两个OCXO，成本也是高昂的。

对于光盘的JITTER来说，光盘专业上面称为抖动，偏差。刻录机领域习惯称为噪音~~

光盘JITTER的产生有几方面的原因：

1.光盘本身：沟轨平衡，质重平衡，旋转平衡，染料特性。

2.刻录机：马达旋转平衡，结构减噪设计，镭射头角度调整，四向限纠错解码能力。

3.韧体：对不同CODE的碟片烧录时，倍速与功率的调整能力（功率检验区的能力强弱）

4.用户对光盘的保存

总体来说，JITTER对数据的影响不大，而对音乐盘会有一定的影响！音乐爱好者可以注意一下JITTER

的盘机搭配！！

什么是Jitter

引用hotpoint翻译Charles Altmann的一段话：

所谓jitter就是一种抖动。具体如何解释呢？让我们来看一个例子。假如你有个女友，你希望她每天晚上下班之后7点来找你，而有的时候她6:30到，有的时候是7:23，有的时候也许是下一天。这种时间上的不稳定就是jitter。你的女友永远不可能每次都刚好在7:00:000（后面的三个零指毫秒）准时到达，在数字音频上也是如此，所以Jitter永远都存在的。

图一黑线指理想的数字信号，红色指实际的数字信号，由于Jitter的原因，导致输出正弦波畸变，也因此产生了失真，见图二，

如果Jitter越大，波形畸变也越大，失真也就更大，

关于什么是Jitter，网上已经有多篇文章说明得很清楚了，请参阅：

hotpoint翻译

网址：https://www.360docs.net/doc/0f12324449.html,/read.php?tid=7494

https://www.360docs.net/doc/0f12324449.html,/read.php?tid=8580

David Chandler 的Phase Noise and Voltage Controlled Crystal Oscillators

网址：https://www.360docs.net/doc/0f12324449.html,/pdf/vcxophasejitter.pdf

diablo对jitter的产生与消除的理解一文：

网址：https://www.360docs.net/doc/0f12324449.html,/c_read.php?tid=12722

看后相信你对Jitter能有更深的认识，如果你已经对Jitter有较清晰的理解了，下面量度名词你应该也清楚：

ps : 10的负12次方秒

另外有一些专业名词你应该也知道或听说过：

SPDIF : SPDIF严格的写法是S/PDIF，S/PDIF全称为S/PDIF民用接口，英文名为Sony/Philips Digital Interface，它是由Sony和Philips两大巨头制定的标准。就传输方式而言，S/PDIF分为输出（S/PDIF OUT）和输入（S/PDIF IN）两种。就传输载体而言，S/PDIF又分为同轴和光纤两种，其实它们传输的信号是相同的，只不过载体不同，接口和连线外观也有差异。

网址：ftp://https://www.360docs.net/doc/0f12324449.html,/pub/tbs/mtgoddl/spdif.pdf

AES : AES/EBS又称为AES3标准，是目前通用的专业标准之一。在专业声卡的数字输出选项中，我们都可以看到AES/EBS。相对于S/PDIF民用接口，AES/EBS的信号强度大，抗干扰能力更强，因此适合更远距离的传输。AES3输出的数据带有自己的时钟，因此整体抑制时基误差的能力比S/PDIF民用接口

要好得多。

I2S : I2S（Inter-IC Sound Bus）是飞利浦公司为数字音频设备之间的音频数据传输而制定的一种总线标准。主要用在DAC芯片的接收上，详细的资料可参考datasheet

网址：https://www.360docs.net/doc/0f12324449.html,/acrobat_download/various/I2SBUS.pdf

PLL : 锁相环（PLL）方法的是最常用的时钟恢复方法，无论是普通的模拟PLL还是数字PLL，基本原理都是利用一个反馈环和一个可变频率的振荡器来跟踪输入的时钟，输出一个更加稳定纯净的时钟信号。

ASRC : ASRC的基本原理就是使用本地时钟源的参考时钟输入，对输入的信号数据进行重新采样（resampling），由于采样所使用的时钟是低jitter的本地时钟源，就实现了对外部时钟的隔离，避免来自外部的jitter影响输出时钟。AD和TI目前都生产一些高性能的ASRC芯片。象以低jitter闻名的Bechmark DAC-1就是使用了ASRC技术。

DDS : DDS（Direct Digital Synthesis－直接数字频率合成）。DDS通过完全数字的方法，通过累加器和波形查表的方式，直接生成高度稳定的频率信号。

Workclock : 即字时钟同步，主要是解决不同设备之间的同步问题。

（二）Jitter对音频播放各个环节的影响

任何数字播放器播出音乐都会带有Jitter，要想彻底解决该问题，最好的解决办法就是将Jitter降低到人耳无法辨别的程度，但很遗憾，人耳对Jitter是非常敏感的，至于人耳无法分辨出低于多少ps的jitter，至今也没有准确答案，一般理解是，人耳能分辨出低于200ps的Jitter，在这里我大胆提个假设，就是假设人耳无法分辨出低于1ps的Jitter，如果能做出低于1ps的播放设备，并且价格为高端烧友所接受，大家就可以尽量少提或不提Jitter了，就可以将注意力集中在模拟部分处理上，但实际上，高端昂贵的OCXO 晶振或许可以做到这个精度，但是DAC芯片内部的Jitter还是远远高于1ps的，例如AK4396的内部Jitter就为13ps，我们普通使用的晶振的Jitter也都在10ps以上。

既然Jitter无法或很难做到足够低的程度，那我们就退而求次，探讨怎样尽量地减少Jitter。

首先来看看数字播放器播放的流程（因为本文仅探讨Jitter，所以播放流程只截止到DAC芯片，DAC芯片后面的模拟部分不属本文探讨的范畴，故忽略。）

(注：流程中红色文本指会产生或增加Jitter并对音频播放有影响的环节，以下某些文字会简称Jitter影响)

1. CD台机播放模式

a) 传统CD台机播放模式，流程为：

CD转盘→读CD碟→I2S信号→DAC芯片

传统的CD机是直接将CD碟的数据读出并直接将数据转换为I2S信号，然后传送到DAC芯片，如果CD 碟上面的凹凸面均匀度比较差，各个数据位（Bit）读起来的时间就会出现不均匀的现象，从而导致输出I2S 信号时也是不均匀的，最终这些Jitter导致DAC芯片解码波形出现轻微的畸变，由于这个原因，在传统CD机上，正版碟的播放效果要好过盗版碟和刻录碟，这种模式的Jitter主要产生在转盘和CD碟上，故对转盘的要求非常高，对碟片的要求也很高，并且必须做好CD机的避震，这也可以解释为什么普通光驱不能做CD转盘的原因，另外将数字信号转换为I2S信号的处理上也会增加一些Jitter。

b) 带缓存的CD台机播放模式，流程为：

CD转盘→读CD碟→缓存→微处理器、CPLD、FPGA →I2S信号→DAC芯片

例如Meridian 588，它采用DVD光驱做为转盘，多次读相同的数据区并将数据放进缓存，然后进行检验、比较并判断出它认为最正确的数据，然后从缓存中将数据转换为I2S信号并传输到DAC芯片，实际上它的处理过程是多任务的，因为有缓存的出现，产生Jitter的瓶颈已在读取缓存并转换为I2S信号的CPLD 或FPGA处理器上，已和转盘和CD碟无关系，所以它对转盘要求已经不高，普通的DVD光驱已能达到要求

c) CD台机搭配外置配解码器播放模式

CD转盘→SPDIF/AES OUT →SPDIF/AES线→外置解码器SPDIF/AES IN →I2S 信号→DAC芯片

这个模式有两个好处：

i) 利用外置解码器的高性能DAC芯片，提高音质

ii) 利用Wordclock，PLL，ASRC，DDS技术降低普通CD转盘的Jitter

实际上光驱能很准确地读取CD光碟的数据，读光碟的方法也有点类似图一，虽然将CD光碟的凹凸信息读出来有Jitter，但因为数据存储只需要知道两个值0和1的状态，只要Jitter处在一定的范围内，再加上CD光碟有一定的纠错信息，一般情况下都能正确或很高精度地读取没划伤或划花的CD光碟的数据，这方面只需做个实验即可，将你网上下载的WAV文件刻录到CDR上，然后再用EAC将CDR上的音频数据抓取出来，用文件比较器进行比较，一般情况下都能达到100%无损或非常高的精度，加上PC软件丰富、界面漂亮和播放选曲便捷的优势，所以PCHifi也是烧友们关心或尝试的对象

2) PCHifi的播放模式

a) 传统的PCHifi播放模式，流程为：

模式A：音频文件→声卡→I2S信号或其他制式信号→声卡内部DAC芯片

模式B：音频文件→声卡→SPDIF/AES OUT →SPDIF/AES线→外置解码器SPDIF/AES IN →I2S信号→DAC芯片

因为数字信号很容易受环境的影响而导致Jitter的增加，众所周知电脑并带有复杂的处理器、主板和各种内设、外设，本身就是一个很大的电磁干扰源，并且供给DAC芯片的电源一般都不如外部解码器的电源，也因此不少声卡做了一个外置盒，将DAC处理放在外置盒上以提高音质，在近似的硬件条件下，一般来说，模式A的效果是不如模式B的，所以我们只谈模式B，在模式B中，声卡将音频数据调制成SPDIF/AES 时会增加Jitter，SPDIF/AES线材传输时也会导致Jitter的增加，解码器解调SPDIF/AES信号为I2S 信号时也会增加Jitter，例如常见的解码器数据接收芯片CS8412、CS8414、CS8416在它们的datasheet 上就标明有200ps的Jitter，

性能优秀的数字接收芯片DIR9001也有≤50ps的Jitter，

由于电脑的电磁干扰较传统CD机要严重得多，所以一般情况下，低价位声卡的数字输出效果不理想，高价位的声卡数字输出也很难胜过高档的CD转盘。